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Análisis espacial y fenológico de la vegetación en la cuenca del rio Chira por Teledeteccion




Enviado por Ninell Dedios Mimbela



    Resumen

    El presente artículo forma parte del proyecto
    "MONITOREO DE LOS ECOSISTEMAS AGRICOLAS Y NATURALES EN LA
    REGION PIURA DESDE LAS TECNOLOGIAS: TELEDETECCION Y SISTEMAS DE
    INFORMACION GEOGRAFICA
    ". El objetivo de este trabajo es dar
    a conocer con la metodología utilizada desde
    (imágenes de satélite multitemporales LANDSAT y
    ASTER) y demostrar la importancia del análisis del
    índice de vegetación (NDVI). En este sentido, se ha
    logrado establecer patrones fenológicos de
    producción y crecimiento para los principales ecosistemas
    agrícolas y naturales en la cuenca del rio Chira: bosque
    seco de montaña, Bosque llanura, matorral, agricultura y
    suelo desnudo y/o desprotegido. Para ello se han analizado y
    procesado imágenes de satélite con el fin de
    seleccionar áreas de muestreo de valores de
    NDVI.

    Una vez seleccionados y colectados los valores de NDVI
    para las imágenes en distintas fechas, se ha procedido a
    analizar el ecosistema (natural o artificial) seleccionado,
    utilizando un método de análisis
    temporal.

    Los principales resultados obtenidos son:
    La variación fenológicos de los ecosistemas
    (naturales y artificiales) que se corresponden con la
    estacionalidad climática de las áreas estudiadas.
    En este sentido, la mayoría de los cambios y variaciones
    específicas para cada ecosistema son explicados en base a
    las características funcionales y estructurales de cada
    ecosistema. Los resultados obtenidos pueden servir como insumo
    para mejorar el proceso y clasificación de las
    imágenes de satélite con el objeto de elaborar
    mapas temáticos y contribuir a la mejor toma de decisiones
    en cuanto al uso adecuado de los calendarios agrícolas
    definidos para cultivos anuales y/o transitorios instalados en la
    cuenca. Palabras claves: Imágenes de
    satélite, bosque seco, índices de vegetación
    NDVI, series de tiempo.

    Abstract

    Presented study forms a part of the project "MONITORING
    OF THE AGRICULTURAL AND NATURAL ECOSYSTEMS IN THE PIURA REGION
    USING TECHNOLOGIES: REMOTE SENSING AND GEOGRAPHIC INFORMATION
    SYSTEMS". The objective of this paper is to present the
    methodology used in the study (multi-temporal satellite images
    LANDSAT and ASTER) and to demonstrate the relevance of the
    analysis of vegetation index (NDVI). Phenological patterns of
    production and growth were established for the main agricultural
    and natural ecosystems in the Chira River basin: dry mountain
    forest, forest plains, scrubland, agricultural land and bare
    and/or unprotected soils. For this purpose satellite images were
    analyzed and processed in order to select sampling areas for NDVI
    values.

    Once the NDVI values were selected and collected for
    images of different dates, the selected ecosystem (natural or
    artificial) was analyzed, using a temporal analysis method. Main
    results obtained are: Phenological variations in ecosystems
    (natural and artificial) correspond to the climate
    seasonality in the studied areas. Most of the changes and
    specific variations in each ecosystem are explained on the basis
    of functional and structural characteristics of each one of them.
    The obtained results can serve as input for improvement of the
    processing and classification of satellite imagery in order to
    elaborate thematic maps and contribute to a better
    decision-making with respect to the appropriate use of
    agricultural calendars for annual and/or transitory crops in the
    basin.

    Key words: Satellite images, dry forest,
    vegetation indices NDVI, time series.

    ANALISIS ESPACIAL DE
    IMAGENES

    INTRODUCCIÓN

    La cuenca Catamayo-Chira es una de las más
    importantes cuencas binacionales del norte del Perú
    constituido por dos importantes ríos. En territorio
    peruano: el río Chira y en territorio ecuatoriano: el
    río Catamayo, ocupa una superficie de 19 095 km2 de los
    que 7162 km2 se encuentran en Ecuador y 11 933 km2
    en Perú (ubicada entre las coordenadas
    03º40"28" y 05º07"06" de Latitud Sur y
    80º46"11" y 79º07"52" de Longitud Oeste). Dentro
    de la cuenca y desde un enfoque de desarrollo
    agrícola, destaca la ubicación de 2
    importantes reservorios (Poechos y San Lorenzo) que sirven
    como regulador de las aguas procedentes de la cuenca alta, siendo
    los años de 1982, 1983, 1997 y 1998 los que representaron
    para la cuenca un serio problema al ser afectada por el
    Fenómeno El Niño, caracterizado por lluvias
    intensas y consecuentes inundaciones con gran arrastre de
    sedimentos generados por la erosión hídrica.
    Siendo, el principal usuario del sistema de la cuenca Chira, el
    sector agrícola utiliza el recurso hídrico para la
    producción de cultivos muchos de ellos con fines de
    exportación. De manera progresiva, la demanda de este
    recurso se hace cada vez mayor por la ampliación de las
    áreas agrícolas, en desmedro de los bosques secos
    por el desarrollo de actividades económicas como es el
    caso del uso de más de 20,000 ha, para la
    producción de etanol en base a cultivos de caña que
    genera nuevos conflictos por el destino del recurso
    hídrico (Ortiz, 2007).

    Asimismo, el incremento en la demanda de
    producción de alimentos y la actividad
    forestal de carácter extractivo-selectivo
    (INRENA, 1995) produce su alteración, por la
    pérdida de especies de complicada
    regeneración natural (los bosques).

    De lo expuesto, la teledetección al considerar
    los procesos productivos y ambientales, es una
    herramienta importante, al ofrecer una visión
    temporal y espacial de la cobertura y desarrollo de la
    vegetación (Hobbs 1989; Running 1989). Asimismo por su
    aplicación, permite su evaluación y seguimiento del
    estado de las cubiertas vegetales y su correlación con
    variables climáticas, por lo cual el ritmo de
    producción de biomasa verde para cada ecosistema
    dependerá de las condiciones ambientales
    principalmente del régimen climático (Monasterio y
    Sarmiento 1976; Sarmiento 1990). Bajo esta
    perspectiva, la teledetección, ha creado una gran
    expectativa en la caracterización
    biofísica de la vegetación, de ello los
    trabajos en esta área muestran relaciones
    empíricasentre la información captada
    por los sensores (radiancia), y diversas variables
    biofísicas [biomasa, índice de
    área foliar (IAF), cobertura, etc.]. De otro
    lado, los Sistemas de Información Geográfica SIG,
    representan una contribución al desarrollo de la
    agricultura a beneficio de quienes la trabajan y toman
    decisiones.

    El objetivo del presente trabajo es determinar desde la
    interacción de imágenes de satélite ASTER y
    LANDSAT los estados fenológicos de los principales
    ecosistemas de un sector de estudio de la cuenca del rio
    Chira.

    MÉTODOS

    Tres imágenes de satélite fueron
    adquiridas para el desarrollo del estudio (1 imagen LANDSAT TM
    año 2000 con 30 metros de resolución en el
    infrarrojo y visible), imágenes Aster del sensor TERRA
    (Febrero del 2006 y 2007 con 15 metros de resolución en el
    visible e infrarrojo cercano y 30 metros en el infrarrojo medio),
    todas ellas imágenes de verano.

    Definición
    de las
    estrategias de seguimiento

    Para determinar la evolución normal de los
    ecosistemas que configuran el paisaje de la cuenca sería
    útil construir modelos que establezcan su relación
    con variables climáticas. De ello se considera la
    línea de trabajo abordada por autores que destacan la gran
    dependencia entre el NDVI y la climatología de la zona
    (Hielkema et al., 1986, Malo & Nicholson, 1990,
    Davenport & Nicholson, 1993), quienes
    encontraron correlaciones apreciables entre las

    precipitaciones y los NDVI en zonas cálidas.
    Asimismo, niveles de clasificación entre las
    cubiertas vegetales fueron considerados para comprender los
    períodos del desarrollo fenológico de los cultivos
    instalados en las fechas adquiridas por el sensor y
    su estado mediante el uso del NDVI siendo necesario
    su análisis de la tendencia en el tiempo (Chuvieco,
    1998).

    Índices de
    Vegetación y Datos

    Como magnitud física primaria, se ha utilizado
    tradicionalmente el análisis de reflectividad espectral
    que permite identificar rasgos de absorción atribuidos a
    la superficie bajo estudio. En el caso de la vegetación,
    estos rasgos son debidos principalmente a la presencia de
    clorofila, las cuales presentan una baja reflectividad, en el
    espectro electromagnético en la región espectral
    del rojo (0,62-0,70 µm) y una reflectividad alta en la
    región del infrarrojo cercano (0,7-1,1 µm). Es
    precisamente este contraste entre ambas regiones espectrales
    fundamental para ser considerado como método para
    identificar cubiertas de interés y su estado sobre la zona
    de investigación que obedece a impactos naturales tanto de
    déficit hídrico como por fenómeno del
    niño.

    De esta manera, los datos de NDVI fueron obtenidos desde
    las imágenes LANDSAT (año 2000) y ASTER
    (años 2006 y 2007), todas ellas imágenes de verano
    en los canales 1, 2 del visible y 4 del infrarrojo.
    Luego de haber sido procesadas, corregidas geométrica y
    radiométricamente, resumidas en imágenes de
    composición (Chuvieco, 1998), se procedió al
    cálculo de los índices de vegetación
    normalizado y diferenciado (NDVI), definido según (Tarpley
    et al.,1984) donde ?nir y
    ?r son los valores de reflectancia correspondientes a
    las longitudes de onda del infrarrojo cercano y del rojo (canales
    2 y 1), respectivamente. Por otro lado, las imágenes
    resultantes del procesamiento, que originalmente presentan un
    formato digital de 8 bits [0,255] (CD), se
    transformaron a la expresión real del NDVI [–1,1]
    usando el valor correspondiente de ganancia (0,008) y offset
    (128), de acuerdo a la siguiente expresión (Agbu y James,
    1994): NDVI = (CD – 128) x 0,008
    (2)

    En la imagen de la Fig. 1, observamos colores desde
    diferentes tonalidades que configuran el paisaje del área
    de estudio. Desde el color amarillo que indica la presencia de
    elevados valores de NDVI (asociados habitualmente a una
    vegetación sana o con elevado contenido de humedad), que
    hace referencia a los sectores donde se desarrollan las
    actividades agrícolas como cultivos anuales y frutales
    principalmente. Tonalidades en verde que corresponden a cubiertas
    vegetales en estado de foliación, floración y
    fructificación como es el caso de los bosques secos y
    matorrales en los niveles ralo y muy ralo. Los colores azul
    (vegetación de colina y sombra), el color celeste que hace
    referencia a suelos desnudos o sectores con una vegetación
    arbustiva muy dispersa. Asimismo, el área ocupada por la
    represa Poechos, presenta valores negativos y casi nulos
    (cercanos a -1).

    Análisis
    de la Precipitación

    Para el análisis y comportamiento de la
    precipitación y dadas las condiciones climáticas de
    la época donde fueron adquiridas las
    imágenes (verano mes de febrero de los años 2000,
    2006, 2007), fueron temporalidad de las estaciones
    meteorológicas que más aportan información
    ubicadas dentro del ámbito de estudio, siendo las
    estaciones del SENAMHI de Mallares,

    ANALISIS ESPACIAL DE IMAGENES
    Partidor, Lancones, Miraflores. Para realizar el
    análisis espacial y cartográfico de las
    precipitaciones en el tiempo, se crearon bases de datos e
    integrados en un Sistema de Información Geográfica
    (SIG) para conjuntamente ser analizados con los valores de NDVI y
    analizar la influencia de esta variable sobre el estado de las
    cubiertas vegetales y a su vez de su correspondiente fase
    fenológica.

    Métodos de
    análisis Espacial

    Como herramienta de análisis el uso de
    modelos matemáticos permite determinar el
    comportamiento y el patrón temporal de la
    variabilidad del crecimiento, ciclos de
    crecimiento y asociación estacional de la
    vegetación (Menenti et al. 1991; Azzali y Menenti 1999).
    La metodología aplicada en el estudio, permite realizar un
    análisis sencillo de la variabilidad fenológica y
    temporal de la vegetación. Utilizando como base el hecho
    de que el NDVI es un estimador del vigor y productividad de la
    vegetación, en ellos serán considerados los cambios
    en la fenología y dinámica de la vegetación
    monitoreando la variabilidad temporal del NDVI en los principales
    ecosistemas de la cuenca. Para comprender la dinámica
    fenológica y su interacción con la
    identificación del NDVI son consideradas
    "categorías o áreas conocidas" y "densidades" todas
    ellas cubiertas representativas donde se localizan ecosistemas
    naturales y agrícolas. Para los ecosistemas naturales
    fueron identificados (bosque seco de llanura, bosque seco de
    colina y matorral), en el caso de los ecosistemas
    agrícolas se clasificaron en anuales (arroz y maíz)
    y frutales (limón, plátano y mango). Para este tipo
    de análisis las cubiertas sin vegetación (centros
    poblados, cuerpos de agua, suelos desnudos) no fueron excluidas
    dado que forman parte de una categoría única
    asimismo por ocupar una importante área dentro del
    ámbito de estudio (Tabla 1).

    En relación a las "densidades" estas se
    consideraron como ralas, muy ralas, densas y
    semidensas. En relación a las
    imágenes, fueron procesadas y desplegadas
    utilizando ERDAS, 9.1 (Sistema de Información
    Geográfica especializado en el procesamiento de
    imágenes de satélite). Procesa y
    analizainformación espacial en formato Raster
    y Vectorial. Los valores de NDVI para cada grupo de pixeles
    fueron almacenados en una hoja de cálculo para su
    análisis. Los valores de NDVI para cada imagen y para cada
    área de muestreo fueron manipulados
    estadísticamente y calculados desde los siguientes
    parámetros: promedio, valores máximos,
    mínimos y desviación estándar. Los valores
    promedios, máximos y mínimos de NDVI para cada
    área de muestreo de las diferentes categorías de
    los ecosistemas, fueron desplegadas en una gráfica cuyo
    eje x muestra la secuencia temporal de las imágenes en
    orden cronológico y el eje y los valores de
    NDVI.

    Cada una de las gráficas según el tipo de
    ecosistema fue analizada eliminando las
    imágenes desde los valores de NDVI muy
    bajos (problemas de la imagen sin un patrón definido
    de cambios (Groten 1993a, 1993b); o las imágenes con
    valores diferentes a 1 en áreas de control (agua) que
    deberían mostrar el valor 1 para NDVI. Asimismo, fueron
    chequeadas cada una de las imágenes de manera visual para
    descartar problemas radiométricos no detectados en la
    selección de pixeles. Se ajustaron los puntos de las
    gráficas a una curva de tendencia tipo media móvil
    con período 2, obteniendo los modelos de variación
    fenológica para cada ecosistema identificado.

    Áreas de
    muestreo seleccionadas

    En la Tabla 2 se presenta la descripción de las
    áreas seleccionadas para cada categoría
    identificada. El muestreo aleatorio fue empleado en la
    localización de aquellas áreas representativas y
    almacenada dentro de una base de datos en un SIG,
    asimismo el conocimiento personal del área de
    estudio sirvió de apoyo para el desarrollo de
    esta etapa.

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